[发明专利]基于激光吸收光谱技术的二维重建光线分布优化方法

说明书

技术领域

本发明属于光学流场诊断领域，涉及半导体激光吸收光谱技术和计算机断层扫描重建技术，特别是涉及多目标函数的优化方法，可用于燃烧流场温度/气体组分浓度二维重建测量中光线分布设计。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）是利用单一频率的激光穿过待测流场区域时，当激光频率与气体吸收组分跃迁频率相同时，激光能量被吸收，通过对比入射激光强度与透射激光强度，确定沿着光路径方向的吸收值，进而确定气体温度和浓度物性参数。然而，由于TDLAS技术是基于视线效应的测量，其测量结果只能给出光路径上气体参数的平均值，不能得到流场的内部信息。将TDLAS技术与计算机断层扫描重建技术相结合，通过测量不同角度光线穿过流场后的投影结果，利用反演算法得到流场的二维分布。

在实际的流场检测中，由于实验场地和成本的限制，不可能安装大量的激光发射和探测装置，限制了投影光线的数目和角度。投影光线的数目和角度直接影响重建流场的精度，为了提高重建结果质量，提高光线利用效率，优化光线分布方式具有十分重要的意义。

下述文献报道涉及基于TDLAS方法燃烧流场二维重建和光线分布优化方法的相关内容。

1.北卡罗来纳州大学Lori A.Todd等人在论文“Tomographic reconstruction of air pollutants evaluation of measurement geometries”（Applied Optics，1997年第36卷20期）研究了不同探测器数目和不同的光线分布方式对浓度场重建结果的影响。研究结果表明，在相同光线数目下，探测器数目越多，光线的投影角度越多，重建结果越好。在相同光线数目下，光线扫描角度为180°的结果优于扫描角度为90°的情况。

2.美国弗吉尼亚大学Kristin M.Busa等人在论文“Measurements on NASA Langley Durable Combustor Rig by TDLAT Preliminary Results”（51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition，AIAA-2013-0696）利用滤波反投影算法重建了高超声速燃烧室出口平面温度和H2O浓度二维分布。实验采用扇形光束扫描，每组扇形光束包含21条光线，实验中共采集40组扇形光束共840个投影光线数据，整个实验耗时近一天。

3.浙江大学王飞等人在论文“Two-dimensional tomography for gas concentration and temperature distributions based on tunable diode laser absorption spectroscopy”（Measurement Science and Technology,2010年21卷第4期）研究中直接使用4个高速旋转台并联运行，同步扫描被测区域，共采集400个投影数据，实现对烟道截面NH3温度场和浓度场的二维重建。

4.美国空军实验室Michael S.Bown的论文“Application of Diode-Laser-Based Measurements in Hypersonic Flows”（50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,AIAA-2012-0555）针对HIFiRE2燃烧室出口开展地面实验，实验中分别沿着水平和垂直两个方向各布置8条光路，利用代数迭代算法重建燃烧室出口的温度和浓度二维分布。由于实验中只采用两个方向投影，重建结果精度不高，只能用于定性分析。

上述文献证明了基于TDLAS技术和计算机断层扫描技术重建燃烧流场气体参数的可行性，但是采用的投影光线数目较多（大都大于100条），大都采用平行光束或扇形光束投影，光线利用效率不高，未进行光线分布优化方法的研究。

发明内容